ML-CEAS:ML-CEAS:une nouvelle technique spectroscopique une nouvelle technique spectroscopique

d’absorption de haute sensibilité à d’absorption de haute sensibilité à l’aide de laser à impulsions ultracourtesl’aide de laser à impulsions ultracourtes

11erer Octobre Octobre 20042004

Titus - Constantin GHERMANTitus - Constantin GHERMAN

Spectroscopie d’absorption de haute sensibilitéSpectroscopie d’absorption de haute sensibilité

=> développement de techniques spectroscopiques :=> développement de techniques spectroscopiques :-ICLASICLAS : : Intra Cavity Laser Absorption Intra Cavity Laser Absorption SpectroscopySpectroscopy-CRDSCRDS : : Cavity Ring-Down SpectroscopyCavity Ring-Down Spectroscopy-CEASCEAS : : Cavity-Enhanced Absorption Cavity-Enhanced Absorption SpectroscopySpectroscopy

=> étude des transitions moléculaires faibles => étude des transitions moléculaires faibles

=> détection de traces de gaz => détection de traces de gaz (par(par OF-CRDSOF-CRDS ouou OF-CEASOF-CEAS avec lasers à diode)avec lasers à diode)

Groupe LAMEGroupe LAME

EsmaëlEsmaëlAlainAlain MarcMarc RémyRémy SamirSamirDanieleDaniele NaderNader YunYun TitusTitus

Plan de l’exposéPlan de l’exposéI – Principes I – Principes

Cavités optiques,

Lasers à blocage de mode,

Mode-Locked Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy.

II - ExpériencesII - Expériences

1. ML-CEAS « première démonstration »

2. ML-CEAS dans le bleu:

a) application à l’acétylène,

b) mesure de densités des atomes de Ar*(3P2) et de ions N2+

dans plasma,

3. ML-CEAS avec un nouvelle source « Diode-Pumped Vertical External-Cavity Surface-Emitting Laser (DP-VECSEL) »

III - Conclusions et perspectivesIII - Conclusions et perspectives

I - PrincipesI - Principes

Cavités résonnantesCavités résonnantes

La longueur de cavité doit être multiple de /2

L

N 1 = 2L

(N+1)2 = 2L

hors résonance!

R + T + Perte = 1

Modes de cavitéModes de cavité

Fréquence

Transm

ission

f

L

2f 3f

ISL

ISL=c/2L

Fréquence

Transm

ission

L

f 2f 3f

ISL

Le peigne de modes évolue avec la longueur de la cavité

La longueur de la cavité (L) détermine l’espacement des modes (ISL=c/2L).

Une bonne qualité des miroirs (coefficient de réflexion R~1) donne des modes plus étroits.

= c(1-R) / 2L√R

Si les pertes dans la cavité sont faibles l’intensité des modes augmente.

Modes de cavitéModes de cavité

ISL=c/2L

1

I()

Le principe de “cavity enhanced”Le principe de “cavity enhanced”

CEAS:

53 10...101 RRF

Nous passons de longueur de parcours métrique à

kilométrique!!!

I/I = [ 1 - R.eL ]-2 ≈ L x

F/ Leff

Tcavité

Ti:Sa

Lasers à modes bloquésLasers à modes bloqués

Ti:Sa donne un train d’impulsions avec une largeur de 100fs et un taux de répétition de 80MHz

Sortie du laser

Fréquence

Intensité ISL=80 MHz

~50.000 modes équidistants!

Passage du domaine du tempsPassage du domaine du temps……

)(~

)()(~ CÃE

Tp Tp

A(t)

C(t)

t tt

Tc

t

E(t)

r=2/Tp

)()()( tCtAtE

La TF d’un produit de deux fonctions est la convolution des TF’s de ces fonctions.

……à celui de la fréquence!à celui de la fréquence!

N

Nr ÃNÃ )(2)(

N

rN ccNCÃE ..)(~

)(~

c

c

C()~ Ã(

Convolution with Ã(

r

E(~

crccr

dtetCC ti

)(

2

1)(

~

Développement en série Fourier d’une fonction périodique.

Fonction porteuse d’une onde monochromatique.

)(~

)()(~ CÃE

Injection multi mode simultanée:Injection multi mode simultanée: (domaine de fréquence)(domaine de fréquence)

Fréquence

La longueur de la cavité peut être ajustée de sorte que tous les modes passent en résonance ensemble!

Nous appellerons ceci le point magique.le point magique.

Modes du

laser

Modes de la cavité

cavité

Le temps d’aller-retour de la cavité (tr=2L/c) doit

être égal au temps de répétition des impulsions

laser.

Cavité résonnante

L’amplification d’impulsion Impulsion transmise

Injection multi mode simultanée: Injection multi mode simultanée: (point de vue complémentaire: domaine temporel)(point de vue complémentaire: domaine temporel)

Cavité résonnante

LASER femto

Fréquence

La cavité amplifie l'absorption par un « effet multi–passages » avec un facteur d’amplification de F/!

~ 150 MHz

Récapitulatif Récapitulatif

CC

D

L = 1 m

1. Mode-Locked1. Mode-Locked

Cavity Enhanced Absorption Cavity Enhanced Absorption

SpectroscopySpectroscopy

« première démonstration »« première démonstration »

II - ExpériencesII - Expériences

T. Gherman & D. Romanini T. Gherman & D. Romanini Optics Express vol.10 No.19 (2002) 1033-1042Optics Express vol.10 No.19 (2002) 1033-1042

PZT

Ti:Sa femtoLaser pompe Ar+

Miroirs haute réflectivité

Actuateur piézo-électrique

650mW

Cellule

Filtrage spatial & accord de

modes

L1

L2

Pinhole

Isolateur optique

Montage expérimentalMontage expérimental

Oscilloscope

Spectromètre

Montage expérimentalMontage expérimental

650mW

Filtrage spatial & accord de

modes

L1

L2

PC

L=92 cm

= 860 nm

T=0,75 % F=420

Résolution: 0.2 cm-1 Pinhole

Ti:Sa femtoLaser pompe Ar+

Isolateur optique

PZT Cellule

0

5

10

0,0

0,5

1,0

0,00

0,25

0,50

0 1 2 3 4

0,0

0,1

0,2

Temps [ms]

0 m

Inte

nsit

é [u

nité

s ar

b.]

20 m

40 m

150 m

Transmission de cavitéTransmission de cavité

PZT

t

L 4ms

0

1000

2000

0

10

20

0

2

4

848 849 850 851 852 853 854 855

0,0

1,5

3,0

Longueur d'onde [nm]

0 m

Inte

nsité

[uni

tés

arb.

]

150 m

500m

1000 m

Spectre transmis par la cavitéSpectre transmis par la cavité

La période des battements b peut être utilisée pour mesurer le déplacement par rapport au point magique.

modes de cavité+modes de lasers

b = c/2 N = c/4

Spectre de l’acétylèneSpectre de l’acétylène

Spectre de transmission de la cavité moyenné en modulant la longueur de la cavité autour du point

magique.

dI/I = 1% , F/ x L 120 m -> min 10-7/cm (800 points en 40 ms)

858 859 860 861 862Wavelength [nm]

Cavité vide

Spectre laser

Cavité remplie avec HCCH

Inte

nsi

ty [

a.u

.]

2. ML-CEAS dans le bleu: 2. ML-CEAS dans le bleu:

T. Gherman, S. Kassi, A. Campargue, D. RomaniniT. Gherman, S. Kassi, A. Campargue, D. RomaniniChem. Phys. Lett. 383 (2004) 353-358Chem. Phys. Lett. 383 (2004) 353-358

a) application à l’acétylène.a) application à l’acétylène.

Laser pompe Ar+ Ti:Sa femto

Oscilloscope

650mW

Filtrage spatial & accord de

modes

L1

L2

Montage expérimentalMontage expérimental

YAG doublé

BBO Cristal

Spectromètre PC

Lock in PID

30 mW

L=92 cm = 420 nm

T=0.1% F=3x103

Résolution: 0.4 cm-1

Isolateur optique

Pinhole

PZT Cellule

HCCH transition harmonique 8CHHCCH transition harmonique 8CH

23720 23730 23740 23750 23760 23770 23780 23790 23800 238100,96

0,97

0,98

0,99

1,00

Wavenumber [cm-1]

HCCH spectrum

Tran

smission

dI/I = 0,4%, Leff = 920 m -> min ~ 10-8/cm (temps d’acquisition ~ 60s)

P = 400 torr, wavenumber calibration 0.02 cm-1,

R. Hall – Spectroscopie Opto-Acoustic intracavité.

2. ML-CEAS dans le bleu:2. ML-CEAS dans le bleu:

T. Gherman, E. Eslami, D. Romanini, S. Kassi, J.-C. Vial and N. SadeghiT. Gherman, E. Eslami, D. Romanini, S. Kassi, J.-C. Vial and N. SadeghiJ. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004) 2408-2415 J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004) 2408-2415

b) mesures de densités des atomes b) mesures de densités des atomes de Ar* (de Ar* (33PP22) et de ion N) et de ion N22

++

dans plasmadans plasma

Lock in PID

Ti:Sa femto

650mW

Filtrage spatial & accord de

modes

L1

L2

Montage expérimentalMontage expérimental

YAG doublé

BBO Cristal

Spectromètre PC

gas out gas in

+ -

30 mW

L=92 cm

= 390 nm

T=0.008% F~ 4 x 104

T=2% F~ 1.5 x 102

Résolution: 0.4 cm-1

PZT Cellule

ML-CEAS dans le bleu:ML-CEAS dans le bleu:

394.72 394.76 394.80 394.84 394.88 394.92 394.96

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

394.750 nm f=0.00013

394.898 nm f=0.00064

Tra

nsm

ittan

ce

Wavelength (nm)

Absorption by Ar*(3P2) atoms

Experimental points Simul. C. Enhanced

Densité des atomes métastable de ArDensité des atomes métastable de Ar**((33PP22))

Le profil d'absorption est simulé en utilisant la fonction de transmission de la cavité.

))(2exp(1)(

2

2

lR

TTc

R = 99.992%F = 4 x 104

Leff = F/ x 40 cm = 5 Km

P=1 TorrI=5 mA

[Ar*]=1.4x1015 m-3

DDL= 5 x 1012 m-3

388,5 389,0 389,5 390,0 390,5 391,0 391,50,965

0,970

0,975

0,980

0,985

0,990

0,995

1,000

389,35 389,40 389,450,98

0,99

1,00

Tran

smitt

ance

Wavelength [nm]

Experimental spectrum

simulated spectrum by E. Eslami

Concaténation de 4 fenêtres de

0.7nm.

R=98%(basse finesse)

F=155Leff= F/ x 0.4 m

= 20 m

P= 1 Torr,I= 5 mA

[N2+]=1.6 1015 m-3

Trot= 400 K

Bande Bande NN22++ (B (B22∑∑uu

++ ;0 ;0 X X22∑∑gg++ ;0) ;0)

Plasma diagnosticPlasma diagnostic

Réacteur433 MHz

N2-in

Gas out

Grand potentiel industriel:

Nitruration de surfaces

Traitement anticorrosion

Déposition de couches

minces

StérilisationPZT

T=0.07% F~ 4.5x103

Plasma diagnosticPlasma diagnostic

Grand potentiel industriel:

Nitruration de surfaces

Traitement anticorrosion

Déposition de couches

minces

Stérilisation

Réacteur433 MHz

N2-in

Gas out

PZT afterglow

N2 discharge

R= 99.93% , 4500/ x 38 mm ~ 55 m, (temps d’acquisition ~ 10 s)

Tr = 800 KTr = 800 K

Tr = 1300 KTr = 1300 K

Bande Bande NN22++ (B (B22∑∑uu

++ ;0 ;0 X X22∑∑gg++ ;0) ;0)

1.0 x 1015 m-3 ions1.0 x 1015 m-3 ions

1.5 x 1015 m-3 ions1.5 x 1015 m-3 ions

3. ML-CEAS avec3. ML-CEAS avec« Diode-Pumped Vertical External-« Diode-Pumped Vertical External-

Cavity Surface-Emitting Laser » Cavity Surface-Emitting Laser » (DP-VECSEL)(DP-VECSEL)

T. Gherman, D. Romanini, I. Sagnes, A. Garnache, Z. ZhangT. Gherman, D. Romanini, I. Sagnes, A. Garnache, Z. ZhangChem. Phys. Lett. 390 (2004) 290-295Chem. Phys. Lett. 390 (2004) 290-295

Laser pompe Ar+ Ti:Sa femto

Oscilloscope

Spectromètre

Montage expérimentalMontage expérimental

Filtrage spatial & accord de

modes

L1

L2

Pinhole

PC

Isolateur optique

PZT Cellule

DP-VECSEL

DP-VECSELDP-VECSEL

VECSEL

Output Coupler

Folding Mirror

Diode Pump 1 W, 820 nm

SESAM

2.5 cm 2.5

cm15

cm

Vecsel 120 m / Sesam 30 m; L=13.3 cm, 1.12 GHz

DP-VECSELDP-VECSEL

1030 1035 1040 10450

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

560 mW

728 mW

644 mW

476 mWInte

nsi

ty (

a.u

.)

Wavelength [nm]

Caractéristiques du Caractéristiques du laser DP-VECSELlaser DP-VECSEL

-30 -20 -10 0 10 20 300

10

20

30

40

50

60Autocorrelation traces

Pump diode power: 476 mW 560 mW 644 mW 728 mW

Inte

nsit

y [

a.u

.]

Time delay [ps]

Caractéristiques du Caractéristiques du laser DP-VECSELlaser DP-VECSEL

= 1.04 μm, 3 mW pour une puissance de pompe de 476 mW

2600 2500 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400

2468

101214

9695 9696 9697 9698 9699 9700 9701 9702 9703 9704 9705 9706

0

4

8820 800 780 760 740 720 700 680 660 640 620 600 580 560 540 520 500

2468

101214

Inte

nsi

ty [a

.u.]

CCD Pixel

a)

Ab

sorp

tion

[10-4

/cm

]

Wavenumber [cm-1]

c)

Inte

nsi

ty [a

.u.]

Modes number

b)

SpectreSpectre de C de C22HH22

c) Comparaison entre notre spectre et celui de J. V. Auwera obtenu par FT à basse pression (75 Torr), avec une cellule multipassage (40m).

a) Spectre brut(cavité avec acétylène/cavité avec azote sec) P=1 atm. T=0.55% F ~ 570L = 13.3 cmRésolution spectro 0.03 cm-1

b) Spectre obtenu en prenant le maximum de chaque mode de la cavité.dI/I = 5% ; 570/π x L~ 25 mαmin~ 10-5/cm, ( 1 sec)

1840 1845 1850 1855 1860 1865

500000

600000

700000

Inte

nsity

[a.u

.]

CCD Pixel

Spline interpolation

III - Conclusion et perspectivesIII - Conclusion et perspectives

ML-CEAS est une nouvelle technique spectroscopique qui exploite d’une manière constructive les propriétés des cavités

optiques et des lasers à modes bloqués…

Avantages:

• Multiplexage spectral (avec une source large bande);

• Couverture spectrale de l’UV (200 - 500 nm) grâce au doublage, triplage (etc.) en fréquence d’un laser femtoseconde;

• Résolution spectrale limitée par celle du spectrographe

• Ultrasensible (chemin d’absorption effectif d’ordre kilométrique)

• Technique assez simple et robuste

Conclusions Conclusions

L’extension de la gamme spectrale dans l’UV par triplage et quadruplage d’une source femtoseconde.

Ex. d’application: Mesure de densité des molécules N2(X1 ∑g+), vers 205 nm,

dans des niveaux vibrationnels très élevés dans un plasma.

Réalisation d’un système ML-CEAS très compact avec une source DP-VECSEL pour l’application à la détection de traces.

Il faut améliore la qualité de structures semi-conductrices du type VECSEL et SESAM permettent d’obtenir un meilleur régime à blocage de modes.

Perspectives Perspectives